抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)研究與應(yīng)用

劉鴻波，張玉冰，張能學(xué)，姜宏（中國石油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202）

1 理論基礎(chǔ)

抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)完全實現(xiàn)抽油機(jī)的閉環(huán)控制，其核心控制在電量采集模塊中進(jìn)行，電量采集模塊根據(jù)現(xiàn)場井口RTU所采集的示功圖、電機(jī)運行參數(shù)等為依據(jù)，通過核心算法根據(jù)當(dāng)前沖次、泵充滿系數(shù)以及電機(jī)上沖程最大輸出功率等參數(shù)計算當(dāng)前工況下抽油機(jī)應(yīng)該運行的合理優(yōu)化沖次，再將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的變頻輸出頻率來驅(qū)動現(xiàn)場電機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速來運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)抽油機(jī)運行沖次的改變。

抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)需滿足以下條件：一是單井采集裝置必須配備有電量采集模塊；二是抽油機(jī)現(xiàn)場所使用變頻柜必須具有RS485標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，用于采集、設(shè)定頻率；三是抽油機(jī)必須在變頻狀態(tài)下工作；四是油井遠(yuǎn)程自動化采集裝置數(shù)據(jù)采集、傳輸正常。

抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)需對油井遠(yuǎn)程自動化采集裝置以及電量采集模塊中的程序進(jìn)行升級，程序中主要嵌入了“抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)功能模塊”以及“與變頻器MODBUS RTU通信模塊”等。

電量采集模塊中的參數(shù)配置主要包括：

沖次變化范圍：1.5次/min～8次/min。

頻率變化范圍： 20Hz～50Hz，變化率：0.5Hz

示功圖充滿程度變化范圍：20%～80%，變化率：1%

沖次調(diào)節(jié)響應(yīng)時間：60秒。

COM0 口參數(shù)設(shè)置：9600，N，8，1，通信地址01。該參數(shù)設(shè)置與變頻柜對應(yīng)，不同的變頻柜設(shè)置也不同。

當(dāng)所測示功圖充滿程度小于等于20%時，以最低頻率即20Hz運行，此時抽油機(jī)的沖次最小，當(dāng)所測示功圖充滿程度大于等于80%時，以最高頻率即50Hz運行，此時抽油機(jī)的沖次最大，在此范圍內(nèi)隨著示功圖充滿程度的變化，運行頻率隨之變化，沖次也相應(yīng)變化。上述理論在仿真狀態(tài)下運行時，運行正常，能夠達(dá)到理論要求。

抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖1所示。

2 現(xiàn)場實驗

2012年5月初，抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)在青海油田采油三廠花土溝油田進(jìn)行了7井次現(xiàn)場試驗，包括花H2、花N2-38-2、花S2-1-3斜、花S2-1-2斜、花新S1-9-3、花S3-04-3、花N10-1井，對抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)理論進(jìn)行了現(xiàn)場驗證，其中部分油井已正常運行了一年左右。

圖1 抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

下面以花新S1-9-3為例，取2012年5月3日5: 00至7: 00實測數(shù)據(jù)，從沖次變化曲線圖以及實測功圖來分析抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用情況。抽油機(jī)沖次變化圖如圖2所示，實測功圖如圖3所示。

從抽油機(jī)沖次變化圖及實測示功圖來看，在2小時的周期內(nèi)，抽油機(jī)的沖次隨著實測示功圖的飽和程度（即充滿系數(shù)）的不同而做相應(yīng)的自動調(diào)節(jié)，與“抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)理論”相吻合，當(dāng)實測示功圖的充滿系數(shù)在50%左右時，抽油機(jī)沖次維持在2.5次/min左右，當(dāng)實測示功圖的充滿系數(shù)大于75%時，抽油機(jī)沖次可以自動調(diào)節(jié)至4.49次/min左右。這一結(jié)果表明，抽油機(jī)的自動調(diào)節(jié)理論在現(xiàn)場得到了充分的驗證。

圖2 花新S1-9-3井抽油機(jī)沖次變化圖

圖3 花新S1-9-3井實測功圖

3 效益評價分析

抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)在青海油田采油三廠花土溝油田現(xiàn)場試驗了7井次，現(xiàn)場調(diào)試時間為2012年5月初，為進(jìn)一步對抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用做詳細(xì)分析，我們從數(shù)字化油田信息數(shù)據(jù)庫提取了2012年1月1日至2012年8月31日的數(shù)據(jù)做對比分析，其中2012年1月1日至2012年4月20日為措施前統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年5月11日至2012年8月31日為措施后統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年4月21日至2012年5月10日為現(xiàn)場調(diào)試階段，所有數(shù)據(jù)不做統(tǒng)計。除花N10-1井因抽油機(jī)原因未能正常運行，花S3-04-3效果不明顯外，其它五口井均取得了一定的效果，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

從表1中可以看出，抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用前后，五口井的平均沖次由5.44次/min下降至3.54次/min，平均下降34.51%，平均耗電量由97.52kW.H下降至69.68kW.H，平均下降31.39%，無功功率及有功功率節(jié)電率分別達(dá)到了61.53%和30.80%，而與之對應(yīng)的功率因數(shù)則從0.3上升至了0.75，平均上升150.83%，隨著沖次的下降，在產(chǎn)液量變化不大的情況下，平均泵效由18.86%上升至29.15%，平均上升49.38%。

效益評價分析：

（1）單井耗電量

在實驗的五口油井中，平均耗電量下降31.39%，每天節(jié)約耗電大約30kW.H左右，則單井每年節(jié)約電費約：

30kW.H×0.97元/kW.H×30天×12月＝10476元

（2）油井抽油桿使用壽命

根據(jù)《抽油桿疲勞壽命計算研究》[1]，正常情況下，抽油桿的疲勞壽命為500萬次左右，在使用抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)前后，抽油桿的使用時間分別為：

表1 抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)措施前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5000000 次÷5.44次/min÷60min÷24h≈638天（措施前）

5000000 次÷3.54次/min÷60min÷24h≈980天（措施后）

由此可以看出，在使用抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)后，正常情況下，抽油桿的使用壽命延長了350天左右。

目前，花土溝油田常用抽油桿價格為25元/米，平均井深900米左右，按此計算，單井每年節(jié)約抽油桿費用為：

25元/米×900米÷638天×365天－25元/米×900米÷980天×365天≈4492元

（3）油井檢泵周期

由于沖次的降低，泵的充滿程度增加，這在一定程度上大大減少了抽油桿的液面撞擊應(yīng)力及振動次數(shù)。

另外，由于最大載荷與最小載荷之間差值減小，同樣以花新S1-9-3為例，在使用抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)前后（見圖4：花新S1-9-3井措施前后實測功圖對比），其最大最小載荷之間的差值由18kN/沖程降至12kN/沖程，這也減少了摩擦力和振動載荷，降低了桿管磨損，明顯延長了檢泵周期以及泵的使用壽命。

目前，花土溝油田平均檢泵周期為500天左右，根據(jù)平均沖次下降的幅度，按照檢泵周期延長30%計算，則檢泵周期為650天左右，單次檢泵費用為5.5萬元左右，則單井每年節(jié)約檢泵費用為：

55000 元/次÷500×365-55000元/次÷650×365≈8715元

綜上所述，使用抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)后，每口油井每年可節(jié)約費用2.3萬元左右，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 花新S1-9-3井措施前后實測功圖對比

4 結(jié)語

抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用的硬件支撐包括北京安控科技股份公司生產(chǎn)的型號為ECHO-5318的油井遠(yuǎn)程自動化采集裝置，以及哈爾濱世名達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的型號為SMD-Z-22的抽油機(jī)變頻智能控制裝置。通過該技術(shù)應(yīng)用前后對比分析，首先實現(xiàn)了“抽油機(jī)沖次自動調(diào)節(jié)技術(shù)理論”在現(xiàn)場的成功運用，改變了現(xiàn)場原有的被動變頻實現(xiàn)方式，原來需要人工根據(jù)油井在一段時間內(nèi)的運行數(shù)據(jù)來分析其合理運行沖次，然后由人工到現(xiàn)場手動設(shè)定變頻運行頻率值。現(xiàn)在系統(tǒng)將根據(jù)示功圖診斷法實時判斷出抽油機(jī)應(yīng)該運行的合理沖次，然后在線式實時驅(qū)動變頻器改變其輸出頻率，實現(xiàn)變頻器的主動調(diào)頻功能，從而改變抽油機(jī)的運行沖次。

其次，通過檢測電機(jī)的實時運行數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)實現(xiàn)了電機(jī)的節(jié)能降耗，降低了日耗電量，功率因數(shù)大幅度提高，同時有效提高了泵效，真正起到了節(jié)能、降耗及增效作用。

最后，該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)系統(tǒng)來電自啟動、間抽智能控制、遠(yuǎn)程啟停抽油機(jī)及啟動前語音報警提示等輔助功能，為現(xiàn)場油井的智能化控制提供強有力的技術(shù)支撐。

[1]林元華, 張德平等. 抽油桿疲勞壽命計算研究[J]. 石油鉆采工藝. 2005, 27, (6).